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新概念“空间极限闭轨的旋转数”与倍周期分叉的cascade

已有 4798 次阅读 2013-12-7 13:30 |系统分类:科研笔记


下两图从两个不同视角表示一条没有扭结的空间闭曲线。

如果问这条曲线上的动点沿一个方向走几圈会回到原初发点。有人会认为是三圈,有人会认为是一圈。研究拓扑学的会说三圈的答案是错的,因为那个曲线实际上等价(同伦)于一个普通的圆圈,旋转数应该是1。


但从感觉上那个动点似乎是围绕某个轴转了三圈才回到出发点,认为旋转数是3似乎也有道理。正因有两种意见,在动力系统理论中没有给出空间闭曲线的旋转数严格定义。


在我不久前发布的论文《Non-trivial Local Attractors of a Three-dimensional Dynamical System》中,由于这类闭曲线是由具体微分方程得到的极限闭轨,可以客观地地定义其旋转轴(就像龙卷风的旋转轴一样,该轴不是直线而是曲线),于是自然地定义了该封闭轨线的旋转数(此例的旋转数正是3)。感兴趣的读者可参考该论文给出的关于旋转轴的定义。


当方程的参数变化时,曲线可以连续变形, 但绝不会触碰或穿过旋转轴。所以该旋转数一般会保持稳定,但是会在经过某特殊参数时, 旋转数突然加倍,上例的旋转数变成6 (见下两图)。



参数再变时旋转数6也还会开始稳定,但再经另一临界值之后又会倍增成12,原则上这个倍增过程可无限进下去。该过程就是旋转数的分叉过程,即所谓的cascade。从另一角度可以看出,每次旋转数发生倍增时,动点的旋转周期也会倍增,所以这一分叉也称为倍周期分差。


由于以前有这种过程的三维自治微分方程系统例子鲜见, 所以有关研究往往局限在抽象的理论或二维的周期系统(如有周期扰动的Duffing方程等)。因此也就没有产生闭轨旋转数的概念。在最近一篇论文《Period-doubling cascades of a Silnikov equation》(即将发布)发现所研究的系统,不仅有旋转数由3到6,到12,到24,... ,的分叉cascade, 还会有旋转数由1到2, 到4,到8,到16,...的cascade, 更有从13 到26,到52,...的cascade。这一结果表明上述分叉的cascade明显依赖自然数(素数)3,1,13 ,它们是这类系统极限闭轨特有的拓扑特征。这些数被称为极限闭轨的旋转特征。


新论文还将著名的Feigenbaum常数成功地运用到分叉临界值的估计上。


相信以上简单介绍会引起一些网友的关注与兴趣。








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